奇物論聯(lián)合納米人編輯部對(duì)2020年國(guó)內(nèi)外重要科研團(tuán)隊(duì)的代表性成果進(jìn)行了梳理，今天，我們要介紹的是中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，中國(guó)科學(xué)院院士施劍林教授課題組。施劍林，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員，博士生導(dǎo)師。課題組主要開展介孔和其他無機(jī)納米結(jié)構(gòu)與材料的設(shè)計(jì)、可控合成及其在能源/環(huán)境催化和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)研究。1.介孔與其他無機(jī)納米材料的設(shè)計(jì)、可控合成及物化性能2.面向能源/環(huán)境應(yīng)用的無機(jī)光/電催化材料3.基于無機(jī)納米結(jié)構(gòu)的藥物輸運(yùn)與診療一體化以下按照五個(gè)部分對(duì)施劍林團(tuán)隊(duì)2020年期間發(fā)表的部分成果進(jìn)行歸納，供大家學(xué)習(xí)和交流。1. AM：自噬抑制劑，增強(qiáng)納米催化藥物療效納米催化藥物可以在癌細(xì)胞中啟動(dòng)類Fenton反應(yīng)，特別是將H2O2不成比例地轉(zhuǎn)化為劇毒的·OH，它會(huì)瞬間氧化和滅活周圍的細(xì)胞蛋白質(zhì)和細(xì)胞器。然而，癌細(xì)胞可以通過“吃掉”和“消化”這些有毒蛋白和受損的細(xì)胞器來抵消下游的鏈條效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為自噬。自噬的細(xì)胞內(nèi)循環(huán)功能被征用，癌細(xì)胞的抗藥性顯著提高，并促進(jìn)癌細(xì)胞生存，使納米催化藥物在實(shí)現(xiàn)治療預(yù)期方面適得其反。有鑒于此，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林研究員和陳雨研究員等人提出了一種聯(lián)合治療方法，通過使用藥物調(diào)節(jié)劑來同時(shí)抑制自噬和增強(qiáng)納米催化癌癥治療。1）利用納米金屬-有機(jī)骨架MOF（Fe） 作為過氧化物酶模擬物用于催化癌細(xì)胞內(nèi)高氧化性?OH自由基的產(chǎn)生；2）發(fā)現(xiàn)氯喹可用于溶酶體脫酸和抑制自噬，切斷癌細(xì)胞嚴(yán)重氧化應(yīng)激下的自我保護(hù)途徑；3）在納米催化藥物產(chǎn)生ROS的過程中，用一種藥物抑制自噬來增強(qiáng)ROS誘導(dǎo)的氧化損傷，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同癌癥治療。Bowen Yang, et al. A Metal-Organic Framework (MOF) Fenton Nanoagent-Enabled Nanocatalytic Cancer Therapy in Synergy with Autophagy Inhibition, Adv. Mater., 2020.DOI: 10.1002/adma.201907152https://doi.org/10.1002/adma.2019071522.AM：超聲觸發(fā)和BaTiO3介導(dǎo)壓電催化腫瘤治療超聲治療具有無創(chuàng)性、能量衰減小、組織穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在臨床疾病的診斷和治療中正發(fā)揮著越來越重要的作用。在此，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林、陳雨等人利用超聲作為微觀壓力源，在壓電四方BaTiO3(T-BTO)的催化介導(dǎo)下產(chǎn)生活性氧(ROS)，用于壓電催化腫瘤治療。1）在超聲振動(dòng)作用下，電子和空穴是不成對(duì)的，它們被壓電隔開，形成一個(gè)強(qiáng)大的內(nèi)置電場(chǎng)，隨后在原位催化產(chǎn)生有毒的羥基(·OH)和超氧自由基(·O2?)等ROS，從而達(dá)到腫瘤清除的目的。2）與典型的聲致發(fā)光激活的聲動(dòng)力學(xué)療法相比，這種方法顯示出更加吸引人的優(yōu)勢(shì)，例如更穩(wěn)定的增敏劑和氧化還原反應(yīng)結(jié)果的動(dòng)態(tài)控制。此外，根據(jù)有限元建模模擬，內(nèi)置電場(chǎng)能夠調(diào)節(jié)能帶排列，使有毒活性氧的產(chǎn)生更具能量?jī)?yōu)勢(shì)。3）詳細(xì)的體外細(xì)胞水平評(píng)估和體內(nèi)腫瘤異種移植評(píng)估都表明，可注射的T-BTO納米顆粒植入的熱敏水凝膠將顯著誘導(dǎo)超聲輻射觸發(fā)的細(xì)胞毒性和壓電催化腫瘤清除，同時(shí)在體內(nèi)具有高治療生物安全性。Piao Zhu, et al. Piezocatalytic Tumor Therapy by Ultrasound‐Triggered and BaTiO3‐Mediated Piezoelectricity. Adv. Mater., 2020.DOI: 10.1002/adma.202001976https://doi.org/10.1002/adma.202001976細(xì)胞內(nèi)的生物分子被活性氧(ROS)氧化是基于ROS的腫瘤治療模式的基礎(chǔ)。但目前的治療方式往往不能同時(shí)催化H2O2和O2以產(chǎn)生ROS，因此會(huì)導(dǎo)致治療效果不理想。中科院上海硅酸鹽研究所陳雨研究員和施劍林院士構(gòu)建了一種仿生中空、單原子銅摻雜的N摻雜碳球 (Cu-HNCS)。1）Cu-HNCS可以在酸性腫瘤微環(huán)境和無外部能量輸入的條件下直接催化氧氣和過氧化氫發(fā)生分解以產(chǎn)生ROS（超氧化物離子(O2??)和羥自由基(?OH)）,從而對(duì)腫瘤生長(zhǎng)產(chǎn)生增強(qiáng)的抑制作用。2）與此同時(shí)，Cu-HNCS中含有的Cu物種的芬頓反應(yīng)催化效率比商業(yè)的Fe3O4納米顆粒中的Fe物種要高5000倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和密度泛函理論計(jì)算表明，Cu-HNCS的高催化活性來源于其中摻雜的單原子銅，這也為開發(fā)下一代高效的芬頓反應(yīng)催化劑以用于腫瘤催化治療提供了一個(gè)新的重要參考。Xiangyu Lu. et al. Bioinspired Copper Single-Atom Catalysts for Tumor Parallel Catalytic Therapy. Advanced Materials. 2020DOI: 10.1002/adma.202002246https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.2020022464. Angew：納米老藥用出新高度！巧妙的1+1>2腫瘤饑餓-化學(xué)療法中科院上海硅酸鹽研究所施劍林院士和陳雨研究員等人結(jié)合臨床狀況，提出老藥新用，即參考FDA批準(zhǔn)的Doxil，通過在脂質(zhì)體中共加載Dox和2-脫氧-d-葡萄糖（2DG）構(gòu)建了復(fù)合脂質(zhì)體納米系統(tǒng)，這使得癌癥和正常細(xì)胞之間的差異應(yīng)激致敏能夠用于腫瘤特異性化療。2DG是一種葡萄糖類似物，已在臨床試驗(yàn)（I / II期）中廣泛用作抗糖酵解劑。由于癌細(xì)胞非常依賴糖酵解來提供能量（“Warburg效應(yīng)”），因此2DG通過阻止糖酵解ATP的產(chǎn)生，觸發(fā)隨后的差異性應(yīng)激敏化過程，可以使其處于短期嚴(yán)重饑餓狀態(tài)。簡(jiǎn)單來講就是，將Dox和2DG封裝在一個(gè)單一的納米系統(tǒng)中，一方面，對(duì)于腫瘤，2DG饑餓腫瘤從而降低腫瘤耐藥性，同步遞送的Dox會(huì)因?yàn)轲囸I腫瘤后，然后進(jìn)一步放大其毒性。另一方面，對(duì)于正常細(xì)胞，因?yàn)?DG會(huì)使得正常細(xì)胞同樣處于饑餓狀態(tài)，而這恰恰可以讓正常細(xì)胞接觸到該納米系統(tǒng)時(shí)，開啟了自我保護(hù)狀態(tài)，從而大大降低了化療藥物對(duì)正常組織的傷害。1924年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Otto Warburg首次證明了改變的葡萄糖代謝是癌癥的標(biāo)志之一。正常分化細(xì)胞主要依賴線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）產(chǎn)生ATP，而大多數(shù)癌細(xì)胞依賴于有氧糖酵解來提供能量，因此，腫瘤中糖酵解產(chǎn)生的ATP速率比OXPHOS快約100倍。2DG是合成的葡萄糖類似物，其中C-2-羥基被氫取代。在癌細(xì)胞中，2DG被己糖激酶（糖酵解的第1步中的酶）磷酸化以形成2-脫氧-d-葡萄糖-6-磷酸（2DG-6-P），其不能進(jìn)一步代謝但積累并抑制糖酵解的第1步和第2步（如圖2所示）。因此，ATP的產(chǎn)生受到很大抑制，癌細(xì)胞嚴(yán)重缺乏能量。因此，在該研究中，復(fù)合納米系統(tǒng)中的2DG能夠引發(fā)癌細(xì)胞的急性饑餓和隨后在癌癥和正常細(xì)胞之間的差異應(yīng)激致敏。體外和細(xì)胞試驗(yàn)驗(yàn)證了該策略具有“1+1>2”的抗腫瘤作用總而言之，這種經(jīng)過工程改造的納米系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了顯著改善的治療效果，減輕了的副作用以及體內(nèi)明顯的轉(zhuǎn)移抑制，除了廣泛研究的Doxil的批準(zhǔn)的生物安全性外，還具有很高的轉(zhuǎn)化潛力。通過在正常細(xì)胞中選擇性地提供保護(hù)，而不是通過化學(xué)藥物對(duì)惡性細(xì)胞的常規(guī)毒性增強(qiáng)，這種差異應(yīng)激敏化策略提供了一種增強(qiáng)癌癥治療的有前景的方法，這可能對(duì)未來的納米藥物設(shè)計(jì)非常有益。Yang,B., Chen, Y. and Shi, J. (2020), Tumor‐Specific Chemotherapy byNanomedicine‐Enabled Differential Stress Sensitization.Angew. Chem. Int. Ed..DOI:10.1002/anie.202002306https://doi.org/10.1002/anie.2020023065. Chem：以納米片為手術(shù)刀，將腫瘤解離排出！手術(shù)和隨后的化學(xué)療法仍然是膀胱癌治療最常用的臨床方法，具有不可避免的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，化學(xué)療法毒性和高復(fù)發(fā)率。于此，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林院士、胡萍副研究員等人報(bào)告了一種前所未有的腫瘤細(xì)胞分離策略，無需常規(guī)手術(shù)和化學(xué)療法即可清除惡性膀胱腫瘤。相關(guān)成果以題為“Tumor Cell Dissociation Removes Malignant Bladder Tumors”發(fā)表在Cell子刊Chem雜志上。1）納米平臺(tái)（NT-LDH / EDTA）在膀胱腫瘤細(xì)胞上顯示選擇性積累2）從納米平臺(tái)釋放的EDTA破壞了細(xì)胞間的連接3）分離的癌細(xì)胞幾乎沒有轉(zhuǎn)移，很容易排出體外4）腫瘤細(xì)胞分離策略在去除膀胱腫瘤中是可行和有效的將一種常見的金屬離子螯合劑乙二胺四乙酸（EDTA）負(fù)載到神經(jīng)降壓素（NT）修飾的Zn-Al層狀雙氫氧化物（LDH）的中間層中。在NT的靶向下，這樣的納米平臺(tái)顯示出對(duì)膀胱腫瘤細(xì)胞的高親和力，導(dǎo)致在膀胱腫瘤部位的高度選擇性和有效的積累。釋放的EDTA分子通過EDTA-Ca2+螯合作用從細(xì)胞間鈣依賴性連接蛋白中剝奪了Ca2+，導(dǎo)致腫瘤分解，然后安全地從體內(nèi)排泄出來，而不是使用有毒的化學(xué)藥物殺死，從而確保了出色的生物安全性和異常高的效力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有脫落的癌細(xì)胞隨尿液排出體外，在實(shí)驗(yàn)期間腫瘤不復(fù)發(fā)，可高效根除原位膀胱腫瘤。重要的是，無論是納米平臺(tái)還是游離的癌細(xì)胞都不會(huì)引發(fā)或促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，事實(shí)上，由于LDH的附著，轉(zhuǎn)移被有效地抑制了，并且通過該治療未發(fā)現(xiàn)可檢測(cè)到的正常組織和器官的異常。綜上所述，提出并證明了一種特別可行的同時(shí)具有高度生物安全性的膀胱腫瘤細(xì)胞解離策略，用于使用基于EDTA的納米平臺(tái)有效治療原位膀胱癌。所提出的腫瘤細(xì)胞分離策略以其高效、安全、可行的特點(diǎn)為NMIBC原位治療提供了良好的臨床應(yīng)用前景，并有望在其他類型胃腸道惡性腫瘤的治療中顯示出良好的應(yīng)用前景。Qunqun Bao, et al., Tumor Cell Dissociation Removes Malignant Bladder Tumors. Chem 2020.https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.06.0136. ACS Nano：磁熱療聯(lián)合免疫治療原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性腫瘤癌癥免疫療法在未來的癌癥治療中顯示出令人鼓舞的潛力，但不幸的是，由于療效低和可能的嚴(yán)重免疫毒性，臨床上不能令人滿意。于此，中科院上海硅酸鹽研究所施劍林院士和胡萍副研究員以及同濟(jì)大學(xué)吳慶生教授等人展示了通過聯(lián)合磁熱療（MHT）和檢查點(diǎn)阻斷免疫療法，用于消融原發(fā)性腫瘤和抑制轉(zhuǎn)移瘤。研究人員合成了單分散的高性能超順磁性CoFe2O4@MnFe2O4納米顆粒，并將其用于有效的MHT誘導(dǎo)的原發(fā)性腫瘤熱消融。同時(shí)，產(chǎn)生了許多腫瘤相關(guān)抗原，以促進(jìn)樹突狀細(xì)胞（DCs）和細(xì)胞毒性T細(xì)胞的成熟和活化，從而在荷瘤小鼠模型中有效免疫治療遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移性腫瘤。MHT聯(lián)合檢查點(diǎn)阻斷免疫治療在原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性腫瘤的治療中顯示出巨大的潛力。Jiong Pan, Ping Hu, Qingsheng Wu, and Jianlin Shi, et al., Combined Magnetic Hyperthermia and Immune Therapy for Primary and Metastatic Tumor Treatments. ACS Nano 2020.DOI: 10.1021/acsnano.9b08550https://doi.org/10.1021/acsnano.9b08550最近人們認(rèn)識(shí)到，癌癥的治療效果可能會(huì)因一種叫做自噬的內(nèi)在保護(hù)機(jī)制而大打折扣，這種機(jī)制使癌細(xì)胞在饑餓等惡劣條件下生存。于此，中科院上海硅酸鹽研究所施劍林院士和陳雨研究員等人通過抑制這種增強(qiáng)腫瘤饑餓治療的保護(hù)機(jī)制，描述了癌癥治療的協(xié)同策略。協(xié)同治療是通過使用抗糖解劑抑制葡萄糖代謝，使癌細(xì)胞趨于嚴(yán)重能量缺乏；同時(shí)自噬抑制劑黑磷納米片阻斷下游自噬通量和代償能量供應(yīng)。癌細(xì)胞無法提取自己的營(yíng)養(yǎng)素來養(yǎng)活自己，最終屈服于治療干預(yù)并餓死了。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自噬抑制劑與抗溶血素具有協(xié)同作用，具有顯著的協(xié)同抗腫瘤作用。預(yù)計(jì)這種同時(shí)阻斷外源性和內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的組合方法將有助于今后設(shè)計(jì)有效的腫瘤特異性治療方法。Yang, B., Ding, L., Chen, Y., Shi, J., Augmenting Tumor‐Starvation Therapy by Cancer Cell Autophagy Inhibition. Adv. Sci. 2020, 1902847.https://doi.org/10.1002/advs.2019028478. AM: 富銅普魯士藍(lán)納米藥物用于原位戒酒硫中毒和增強(qiáng)光熱抗腫瘤活性毒性較低且在特定腫瘤組織上有效的抗癌劑已成為對(duì)抗癌癥的新范例。最近，人們致力于通過化學(xué)反應(yīng)將臨床批準(zhǔn)的藥物轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟[瘤微環(huán)境中的抗癌藥物。有鑒于此，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的施劍林課題組和陳雨課題組構(gòu)筑了中空的普魯士藍(lán)（HMPB）基納米藥物DSF @ PVP / Cu-HMPB，實(shí)現(xiàn)了DSF的原位化學(xué)反應(yīng)激活和高熱增強(qiáng)的化學(xué)療法。1）首先在PVP的保護(hù)下通過HCl刻蝕PBs得到了PVP/HMPBs過離子交換法得到了PVP/Cu-HMPB，而后通過將戒酒硫（DSF）封裝到PVP/Cu-HMPB得到了DSF@PVP/Cu-HMPB 。2）在腫瘤積累DSF@PVP/Cu-HMPB后，腫瘤條件下的內(nèi)源性弱酸性觸發(fā)HMPB納米顆粒的生物降解以及DSF和Cu2+的共同釋放，從而通過DSF-Cu2+螯合反應(yīng)形成具有細(xì)胞毒性的雙（N,N-二乙基二硫代氨基甲酸酯）銅（II）配合物（CuL2）。此外，PVP/Cu-HMPBs具有光熱轉(zhuǎn)化性能，在近紅外輻射下溫度升高增強(qiáng)了DSF的抗癌作用，從而誘導(dǎo)了顯著的體外細(xì)胞凋亡和體內(nèi)皮下和原位腫瘤的清除。3）通過化學(xué)螯合反應(yīng)和光熱增強(qiáng)的原位藥物傳輸策略為設(shè)計(jì)新型的癌癥治療納米藥物提供了有希望的范例。WenchengWu et al. Copper-Enriched Prussian Blue Nanomedicine for In SituDisulfiram Toxification and Photothermal Antitumor Amplification. Adv.Mater. 2020, 2000542.DOI: 10.1002/adma.202000542https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.2020005429.JACS：鐵工程化納米藥物用于有效的抗壞血酸腫瘤化療抗壞血酸是一種歷史悠久的多羥基化合物，已被廣泛認(rèn)為是一種有效的抗氧化劑。然而，僅在過去的幾十年中，才逐漸發(fā)現(xiàn)其在過渡金屬催化劑存在下的促氧化特性，這吸引了化學(xué)和生物學(xué)研究人員的廣泛關(guān)注，以期為抗癌治療等各種實(shí)際應(yīng)用帶來益處。在這項(xiàng)工作中，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林等人報(bào)告了由鐵工程化和抗壞血酸負(fù)載的中空介孔二氧化硅納米藥物通過催化抗壞血酸的氧化和活性氧的產(chǎn)生用于有效的腫瘤化療。1）納米藥物的-Si–O–Fe–雜化骨架不僅能夠?qū)崿F(xiàn)酸觸發(fā)的降解能力和抗壞血酸釋放能力，而且還提供了豐富的Fe離子源，可催化抗壞血酸的氧化，過氧化氫的形成以及隨后的Fenton反應(yīng)。2）Fe3+催化抗壞血酸氧化的詳細(xì)化學(xué)機(jī)理已被詳細(xì)探討為兩個(gè)單電子反應(yīng)過程，其中第一個(gè)反應(yīng)過程是由抗壞血酸連續(xù)捕獲Fe3+和O2，形成有利于過氧化氫生成的金屬-抗壞血酸-氧三元絡(luò)合物。3）體外和體內(nèi)結(jié)果均表明復(fù)合納米藥物催化抗壞血酸氧化的抗癌功效顯著增強(qiáng)，證明了這種協(xié)同治療概念的高度可行性。預(yù)期這種納米藥物設(shè)計(jì)將有益于抗壞血酸領(lǐng)域的未來發(fā)展。Bowen Yang, et al. Ascorbate Tumor Chemotherapy by An Iron-Engineered Nanomedicine-Catalyzed Tumor-Specific Pro-Oxidation, J. Am. Chem. Soc., 2020.DOI: 10.1021/jacs.0c09984https://doi.org/10.1021/jacs.0c0998410.Chem. Soc. Rev：基于納米平臺(tái)的級(jí)聯(lián)工程用于癌癥治療中科院上海硅酸鹽研究所施劍林院士和朱鈺方研究員對(duì)基于納米平臺(tái)的級(jí)聯(lián)工程用于癌癥治療的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述介紹。1）為了精確有效地治療癌癥，人們研究開發(fā)了多種治療技術(shù)如靶向藥物遞送、光學(xué)治療、腫瘤特異性催化治療和協(xié)同治療等，但由于這些治療方式存在固有局限性以及復(fù)雜的生物學(xué)環(huán)境，這些治療方式的效果還不盡如人意。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，基于納米平臺(tái)的級(jí)聯(lián)工程被證明可作為一種高效的策略以用于優(yōu)化這些癌癥治療防守。這類納米平臺(tái)可以在特定條件下觸發(fā)預(yù)設(shè)的級(jí)聯(lián)過程，產(chǎn)生或遞送更多的治療物種或者在腫瘤內(nèi)部產(chǎn)生更強(qiáng)的抗腫瘤作用，從而達(dá)到提高抗腫瘤療效、減少副作用的目的。2）作者在文中對(duì)基于納米平臺(tái)的級(jí)聯(lián)工程在癌癥治療的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述重點(diǎn)介紹了這類智能納米平臺(tái)所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)以及利用內(nèi)源性腫瘤微環(huán)境或外部能量進(jìn)行級(jí)聯(lián)工程的研究。與單一的成分或功能相比，這種級(jí)聯(lián)工程策略在增強(qiáng)癌癥治療方面有著非常好的性能，并且也具有更好的可控性、特異性和治療有效性。最后，作者也對(duì)這一新興策略在癌癥治療領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景進(jìn)行了討論，旨在推動(dòng)該策略的進(jìn)一步發(fā)展以滿足個(gè)性化治療的需要。Jiajie Chen. et al. Nanoplatform-based cascade engineering for cancer therapy. Chemical Society Reviews. 2020https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00607f#!divAbstract11.Science Advances：一種高靈敏度、高選擇性的近紅外鉀成像納米傳感器鉀離子(K+)濃度在各種生物過程中都有波動(dòng)。已經(jīng)開發(fā)了許多K+探針來通過光學(xué)成像來監(jiān)測(cè)這種波動(dòng)。然而，目前可用的K+探針在檢測(cè)活體動(dòng)物的生理波動(dòng)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠靈敏。此外，由于目前使用的是短波長(zhǎng)激發(fā)，對(duì)深層組織的監(jiān)測(cè)并不適用。有鑒于此，中科院硅酸鹽研究所施劍林、步文博，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越中心杜久林、熊志奇等研究人員，報(bào)道了一種高靈敏度和選擇性的納米傳感器，用于活體細(xì)胞和動(dòng)物的近紅外(NIR)K+成像。1）該納米傳感器是將上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCNPs)和商業(yè)K+指示劑封裝在介孔二氧化硅納米粒子的空腔中，然后涂覆一層K+選擇性濾膜。2）膜吸附介質(zhì)中的K+，濾除干擾陽離子。UCNPs將近紅外轉(zhuǎn)換為紫外光，激發(fā)K+指示劑，從而能夠檢測(cè)培養(yǎng)細(xì)胞和完整小鼠大腦中K+濃度的波動(dòng)。
Jianan Liu, et al. A highly sensitive and selective nanosensor for near-infrared potassium imaging. Science Advances, 2020.DOI：10.1126/sciadv.aax9757https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaax9757?rss=112.JACS: 近紅外電壓納米傳感器能夠?qū)崟r(shí)成像小鼠和斑馬魚的神經(jīng)元活動(dòng)具有監(jiān)視神經(jīng)元活動(dòng)能力的光學(xué)電壓傳感器是研究大腦信息處理的寶貴工具。但是，當(dāng)前的遺傳編碼電壓指示器通常需要高功率的可見光來激發(fā)，并且僅限于基因可尋址的模型動(dòng)物。于此，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越中心杜久林，中科院硅酸鹽研究所施劍林、步文博等人報(bào)道了近紅外（NIR）激發(fā)的非遺傳電壓納米傳感器，可在完整動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的神經(jīng)元膜電位記錄。 1）納米傳感器由F?rster共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）對(duì)，外膜錨定的上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNP）和膜嵌入的六硝基二苯胺（Dipicrylamine，DPA）組成。DPA的負(fù)電荷會(huì)使膜電位波動(dòng)而影響DPA與UCNP之間的距離，從而進(jìn)一步改變FRET效率。因此，納米傳感器的發(fā)射強(qiáng)度可以報(bào)告膜電位。2）使用納米傳感器，不僅可以監(jiān)測(cè)培養(yǎng)的細(xì)胞膜電位的電誘發(fā)變化，還可以監(jiān)測(cè)完整斑馬魚中神經(jīng)元的感覺反應(yīng)以及完整小鼠中皮質(zhì)神經(jīng)元的腦部狀態(tài)調(diào)節(jié)閾下活性。
Jianan Liu, et al. Near-Infrared Voltage Nanosensors Enable Real-Time Imaging of Neuronal Activities in Mice and Zebrafish. Journal of the American Chemical Society 2020.DOI: 10.1021/jacs.0c01025https://doi.org/10.1021/jacs.0c0102513.ACS Nano：碳化鈮MXene增強(qiáng)型醫(yī)用植入物誘導(dǎo)細(xì)菌感染消除和組織再生無法治愈的細(xì)菌感染、難以穿透的微生物生物膜以及不可逆的抗生素耐藥性是對(duì)人類最危險(xiǎn)的威脅。由于在抗菌和抗生物膜開發(fā)方面缺乏有效的策略，受其他領(lǐng)域（例如納米醫(yī)學(xué)）發(fā)展啟發(fā)的創(chuàng)新方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的抗菌劑越來越有吸引力。在此，上海交通大學(xué)Xianlong Zhang、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林等人開發(fā)了基于2D碳化鈮（Nb2C）MXene鈦板（Nb2C@TP）的具有實(shí)用的多?？垢腥竟δ艿牡呐R床植入物。1）這種新出現(xiàn)的模式能夠通過下調(diào)細(xì)菌能量代謝途徑，抑制生物膜的形成，并通過激活輔助基因調(diào)節(jié)因子促進(jìn)生物膜的分離，從而破壞生物膜，直接消除細(xì)菌。2）該納米藥物的另一個(gè)有趣特征是通過光熱轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)細(xì)菌的敏化能力，這降低了根除細(xì)菌所需的溫度，并減輕了可能的正常組織損傷。3）此外，Nb2C@TP醫(yī)用植入物能夠通過清除感染性微環(huán)境中的過量活性氧來減輕促炎反應(yīng)，從而有利于血管生成和組織重塑。Chuang Yang, et al. Niobium Carbide MXene Augmented Medical Implant Elicits Bacterial Infection Elimination and Tissue Regeneration, ACS Nano, 2020.DOI: 10.1021/acsnano.0c08045https://doi.org/10.1021/acsnano.0c0804514.Angew: Ni、Fe、Cu、Co等單原子負(fù)載氮化碳在光催化中的應(yīng)用目前單原子催化劑被更多研究者關(guān)注，單原子催化劑在多種催化相關(guān)領(lǐng)域中顯示了應(yīng)用，比如清潔能源、環(huán)境保護(hù)、生物藥物等。雖然單原子催化劑展現(xiàn)出較高的催化活性，關(guān)于其高催化活性產(chǎn)生原因還未得到廣泛理解。上海硅酸鹽研究所施劍林和張玲霞、上海應(yīng)用物理研究所同步輻射中心的司銳等報(bào)道了在氮化碳（CN）上構(gòu)建氧化的Ni單原子材料，實(shí)現(xiàn)了30倍催化活性的提高，作者發(fā)現(xiàn)部分氧化的Ni原子中的3d軌道中未成對(duì)電子更容易被激發(fā)。這種部分氧化的單原子Ni展現(xiàn)了較高的光響應(yīng)性能、導(dǎo)電性和電荷分離能力、載流子性能得以改善，這些特點(diǎn)共同作用實(shí)現(xiàn)了光催化性能的大幅度提高。1）催化劑的制備方法。將合成的塊體氮化碳材料在NiCl2溶液中進(jìn)行超聲處理3小時(shí)，通過凍干方法（freezing deposition method）得到原子分散Ni2+的CN-xNi2+。隨后，將樣品在H2，O2，H2/O2中煅燒處理，分別得到CN-xNi-H，CN-xNi-O，CN-xNi-HO。通過對(duì)材料表征發(fā)現(xiàn)，Ni組分的加入對(duì)氮化碳本征結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)并沒有太大影響，通過HADDF-STEM模式的TEM對(duì)樣品中的金屬催化劑位點(diǎn)進(jìn)行表征，通過EXAFS方法對(duì)Ni的配位環(huán)境進(jìn)行表征，給出了Ni結(jié)構(gòu)的位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。通過XPS表征了各種催化劑中Ni的化學(xué)環(huán)境和價(jià)態(tài)。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過H2/O2兩步處理的材料展現(xiàn)了介于+2價(jià)和0價(jià)間的中間狀態(tài)。通過電子順磁共振方法測(cè)試發(fā)現(xiàn)材料中的單電子（g=2.1）在CN-Ni-H和CN-Ni-HO樣品中出現(xiàn)，這個(gè)單電子歸屬于Ni 3dx2-y2軌道。Ni上的3d軌道單電子能夠提高價(jià)帶電子濃度，并實(shí)現(xiàn)了降低能帶寬度的作用，此外實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)帶跨越Fermi能級(jí)。Ni單原子修飾的CN材料的功函為3.69 eV，要低于CN的本征功函值（4.76 eV）。2）光催化性質(zhì)測(cè)試。在三乙醇胺的水溶液中進(jìn)行催化反應(yīng)（Vwater:VTEOA=10/1），光催化結(jié)果顯示CN-0.2Ni-HO樣品的分解水制氫速率為354.9 μmol/(g·h)。24小時(shí)的連續(xù)催化測(cè)試顯示，材料的穩(wěn)定性較好，僅僅有極少量的速率降低。XANES和XPS測(cè)試顯示，催化劑在催化反應(yīng)后發(fā)生了少量氧化。3）作者通過類似的方法對(duì)Fe, Cu, Co幾種材料進(jìn)行了合成，并測(cè)試了它們的未成對(duì)電子濃度和金屬價(jià)態(tài)情況。金屬價(jià)態(tài)和Ni的情況類似，但是未成對(duì)電子濃度和Ni的情況有明顯區(qū)別。Cu的樣品中隨著煅燒時(shí)間不同，未成對(duì)電子濃度改變。并且Cu樣品中，未成對(duì)電子濃度最高的是Cu-H樣品，而不是Cu-HO樣品。Fe或Co樣品中隨著煅燒時(shí)間變化，未成對(duì)電子濃度沒有變化。在這些催化劑中，催化活性和未成對(duì)電子的濃度有著重要關(guān)系，這種未成對(duì)電子是提高光催化活性的重要原因。Xixiong Jin, et al.,Electron Configuration Modulation of Nickel Single Atoms for Elevated Photocatalytic Hydrogen EvolutionAngew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6827.DOI: 10.1002/anie.201914565https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.20191456515.Angew：陰極CO2還原/陽極甲醇氧化同時(shí)合成甲酸通過電化學(xué)方法將CO2和轉(zhuǎn)化為含能化合物在消除溫室效應(yīng)、降低CO2釋放中有重要意義，但是由于陽極OER反應(yīng)有著動(dòng)力學(xué)速度緩慢、而且通常生成H2O意義較低的產(chǎn)物分子。有鑒于此，上海硅酸鹽研究所施劍林等報(bào)道了一種在陽極進(jìn)行甲醇部分氧化，陰極部分CO2還原的電化學(xué)方法，在碳布上生長(zhǎng)介孔SnO2生長(zhǎng)在作為陽極，在泡沫Cu上生長(zhǎng)CuO納米片作為陰極。1）在陽極上實(shí)現(xiàn)了1.47 V過電勢(shì)（100 mA cm-2的電流密度），同時(shí)SnO2/碳布陰極在0.7 V進(jìn)行CO2還原為甲酸（81 %的法拉第效率）。當(dāng)分別在陽極擔(dān)載CuO、陰極擔(dān)載SnO2構(gòu)建的電化學(xué)反應(yīng)池，在10 mA cm-2電流密度中電池的電壓僅僅0.93 V，同時(shí)能夠在陰、陽極生成甲酸。Xinfa Wei, Yan Li, Lisong Chen, Jianlin Shi,* Formic Acid Electro‐synthesis by Concurrent Cathodic CO2 Reduction and Anodic CH3OH Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2020DOI: 10.1002/anie.202012066https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202012066電解水分解制氫在清潔能源生產(chǎn)中具有重要意義，但是，其往往受制于陽極析氧反應(yīng)（OER）的緩慢動(dòng)力學(xué)。此外，極低價(jià)值的陽極產(chǎn)物O2可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的爆炸并產(chǎn)生可膜降解的活性氧。有鑒于此，為了解決上述電催化制氫的問題，華東師范大學(xué)施劍林院士，陳立松副教授根據(jù)效益的增加和不同的電子給體途徑，將最新的進(jìn)展總結(jié)為三個(gè)階段，包括：1）傳統(tǒng)OER提供電子：使用電催化劑來增強(qiáng)水的氧化性能，以促進(jìn)制氫（WOHP）；（2）通過犧牲劑氧化反應(yīng)（SAOR）提供電子：犧牲劑被氧化，有助于制氫（SAHP）；（3）通過電化學(xué)合成反應(yīng)（ESR）提供電子：通過陽極氧化進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的電合成與陰極制氫（ESHP）并行。同時(shí)，總結(jié)了其各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1）由于陽極氧化反應(yīng)在陰極電催化制氫過程中起著關(guān)鍵甚至決定性的作用，因此，作者重點(diǎn)將集中在各種陽極氧化反應(yīng)的設(shè)計(jì)和不同工作介質(zhì)（包括電解液的pH值和化學(xué)藥劑的添加量）下相應(yīng)的電催化劑的制備。2）作者最后指出了目前電催化制氫面臨的挑戰(zhàn)，并展望了未來的發(fā)展方向，以期對(duì)今后電催化制氫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有所指導(dǎo)。該綜述為節(jié)能、低成本、高效率電催化制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)，從而促進(jìn)未來氫能的利用。Yan Li, et al, Electrocatalytic Hydrogen Production Trilogy, Angew. Chem. Int. Ed.DOI：10.1002/anie.202009854https://doi.org/10.1002/anie.20200985417. Chem Cat Chem:一鍋合成鎳摻雜分層多孔β沸石增強(qiáng)甲醇的電催化氧化活性分級(jí)多孔沸石具有比表面積大、孔體積大、傳質(zhì)性能好、酸性位點(diǎn)豐富等優(yōu)點(diǎn)，在催化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。有鑒于此，中科院上海硅酸鹽研究所施劍林院士等人，報(bào)告了通過一鍋水熱法簡(jiǎn)便地合成了摻雜鎳的分級(jí)沸石(Ni‐H‐Beta)，其中鎳以Ni3+的形式均勻地?fù)诫s到沸石晶體骨架中，且未發(fā)現(xiàn)任何鎳氧化物。1）使用四乙基氫氧化銨和十六烷基溴化銨分別作為微孔模板劑和中孔模板劑，采用簡(jiǎn)便的一鍋水熱法合成了摻雜鎳的分級(jí)沸石（Ni-H-beta）沸石，并將制備的具有不同酸度密度的樣品命名為NiH-beta-x（X = 10、15、20、25），其中x是硅鋁比。2）Al濃度的增加導(dǎo)致了強(qiáng)酸位點(diǎn)的形成，從而增強(qiáng)了MOR活性。更重要的是，已確定電化學(xué)MOR的性能與所制備樣品的酸性密切相關(guān)。3）制備的Ni-H-β沸石在電催化甲醇氧化反應(yīng)（MOR）方面表現(xiàn)出較高的性能，在1.65 V vs. RHE下的高電流密度為1450 A g-1，比大多數(shù)非貴金屬M(fèi)OR電催化劑要高。Ni-H-β沸石中的Ni位點(diǎn)被認(rèn)為是該反應(yīng)的催化活性位點(diǎn)。總之，該工作為過渡金屬摻雜分級(jí)沸石在電催化MOR上的應(yīng)用提供了新的認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)。Xinfa Wei et al. One‐Pot Synthesized Nickel‐Doped Hierarchically Porous Beta Zeolite for Enhanced Methanol Electrocatalytic Oxidation Activity. ChemCatChem, 2020.DOI: 10.1002/cctc.202001363https://doi.org/10.1002/cctc.20200136318. JMCA：銅基電催化劑高效還原氮的研究進(jìn)展電化學(xué)氮還原反應(yīng)是近年來在常溫常壓條件下進(jìn)行氨合成的研究熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)的Haber-Bosch法相比，電化學(xué)氮還原反應(yīng)可以大幅度降低氨生產(chǎn)能耗。NRR電催化劑的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)氮原子間的三鍵斷裂和氮?dú)滏I的形成具有重要意義。近年來，具有三維過渡金屬結(jié)構(gòu)、低成本、高儲(chǔ)量以及催化性能優(yōu)良等特點(diǎn)的銅基材料，通過各種形態(tài)和電子結(jié)構(gòu)調(diào)制策略，成為高效NRR電催化劑。有鑒于此，華東師范大學(xué)施劍林院士和陳立松副教授等人，以銅基電催化劑的合理調(diào)制為典型案例，總結(jié)了各種有效提高NRR的氨產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化效率的設(shè)計(jì)策略。1）簡(jiǎn)要介紹了NRR的反應(yīng)機(jī)理后，對(duì)形態(tài)改變，合金化工程，晶格相調(diào)節(jié)，空位工程和單原子結(jié)構(gòu)構(gòu)建的五種改變銅基電催化劑的結(jié)構(gòu)和性能的策略進(jìn)行了總結(jié)，然后討論了催化劑調(diào)節(jié)和相應(yīng)的NRR性能之間的關(guān)系。最后，提出了NRR的當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來前景。2）當(dāng)前的氨產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化效率仍然離工業(yè)應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。為了進(jìn)一步促進(jìn)電催化NRR的發(fā)展，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：（1）新型電催化劑的合理設(shè)計(jì)。必須通過設(shè)計(jì)能夠在還原過程中抑制HER的NRR選擇性催化劑和/或使用能夠控制質(zhì)子釋放的合適電解質(zhì)來大大抑制主要的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)HER。（2）電催化NRR系統(tǒng)的優(yōu)化。合理設(shè)計(jì)替代傳統(tǒng)OER的陽極反應(yīng)具有重要意義。3）（3）氨的精確定量。目前廣泛使用的分光光度法簡(jiǎn)單易行，但諸如pH和雜質(zhì)離子（如Ru3+，F(xiàn)e2+）等干擾因素可能會(huì)對(duì)準(zhǔn)確度產(chǎn)生重大影響，因此希望將分光光度法與其他方法進(jìn)行平行檢測(cè)確保精確和可重復(fù)的定量。（4）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的理論計(jì)算。催化反應(yīng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如反應(yīng)物的吸附自由能，催化劑的潛在活性中心和可能的催化途徑，可以通過理論計(jì)算獲得，用于進(jìn)一步的催化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（5）原位表征技術(shù)的應(yīng)用。通過多種原位表征技術(shù)的綜合運(yùn)用，可以獲得在反應(yīng)過程中反應(yīng)物和中間體在催化劑表面上的精確吸附狀態(tài)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵知識(shí)，這將有助于闡明實(shí)際和詳細(xì)的N2還原途徑。Hangyan Zhou et al. Modulation strategies of Cu-based electrocatalysts for efficient nitrogen reduction. J. Mater. Chem. A, 2020.https://doi.org/10.1039/D0TA06776H此外，施劍林團(tuán)隊(duì)2020年還發(fā)表了其他相關(guān)的高水平研究論文，由于篇幅關(guān)系就不在此一一展示，感興趣的讀者可前往該課題組網(wǎng)站進(jìn)行學(xué)習(xí)。課題組網(wǎng)站：http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/swyy/sjl/施劍林，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員，博士生導(dǎo)師。1983年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)，1989年于上海硅酸鹽研究所獲博士學(xué)位，2019年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。曾任上海硅酸鹽研究所所長(zhǎng)，高性能陶瓷與超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。曾從事先進(jìn)陶瓷材料制備科學(xué)，燒結(jié)理論，結(jié)構(gòu)陶瓷高溫可靠性評(píng)價(jià)透明陶瓷等研究（1983-2005），現(xiàn)主要從事無機(jī)納米材料，介孔材料與介孔主客體復(fù)合材料的合成、非均相催化性能與環(huán)境應(yīng)用；介孔納米顆粒的可控合成及其生物相容性、多功能化、藥物輸運(yùn)和納米診療劑等方面的研究（1998至今）。最近提出了“納米催化醫(yī)學(xué)”的全新研究前沿方向，使用無毒納米顆粒而不使用傳統(tǒng)的有毒化療藥物，通過引發(fā)瘤內(nèi)原位的催化反應(yīng)達(dá)到抗腫瘤目的。施劍林院士以第一完成人獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)（2011年度）、上海市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)（2008，2014）和上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（2009）一項(xiàng)等科技獎(jiǎng)勵(lì)。另獲兩院院士評(píng)選中國(guó)十大科技進(jìn)展（2005）、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、中科院青年科學(xué)家獎(jiǎng)、上海市自然科學(xué)牡丹獎(jiǎng)、上海市科技精英等獎(jiǎng)勵(lì)。
